Deterioração do cluster - Cluster decay

O decaimento do cluster , também denominado radioatividade de partículas pesadas ou radioatividade de íons pesados , é um tipo raro de decaimento nuclear em que um núcleo atômico emite um pequeno "cluster" de nêutrons e prótons , mais do que em uma partícula alfa , mas menos do que uma fissão binária típica fragmento . A fissão ternária em três fragmentos também produz produtos no tamanho de cluster. A perda de prótons do núcleo pai muda-o para o núcleo de um elemento diferente, a filha, com um número de massa A _d = A - A _e e número atômico Z _d = Z - Z _e , onde A _e = N _e + Z _e . Por exemplo:

²²³
₈₈Ra
→ ¹⁴
₆C
+ ²⁰⁹
₈₂Pb

Este tipo de raro modo de decaimento foi observado em radioisótopos que decaem predominantemente por emissão alfa , e ocorre apenas em uma pequena porcentagem dos decaimentos para todos esses isótopos.

A proporção de ramificação em relação ao decaimento alfa é bastante pequena (consulte a Tabela abaixo).

{\ displaystyle B = T_ {a} / T_ {c}}

T _a e T _c são as meias-vidas do núcleo pai em relação ao decaimento alfa e à radioatividade do cluster, respectivamente.

O decaimento do cluster, como o decaimento alfa, é um processo de tunelamento quântico: para ser emitido, o cluster deve penetrar uma barreira potencial. Este é um processo diferente da desintegração nuclear mais aleatória que precede a emissão de fragmentos de luz na fissão ternária , que pode ser resultado de uma reação nuclear , mas também pode ser um tipo de decaimento radioativo espontâneo em certos nuclídeos, demonstrando que a energia de entrada não é necessariamente necessário para a fissão, que continua sendo um processo fundamentalmente diferente mecanicamente.

Teoricamente, qualquer núcleo com Z > 40 para o qual a energia liberada (valor Q) seja uma quantidade positiva, pode ser um emissor de cluster. Na prática, as observações são severamente restritas às limitações impostas pelas técnicas experimentais atualmente disponíveis que requerem uma meia-vida suficientemente curta, T _c <10 ³² s, e uma razão de ramificação suficientemente grande B> 10 ⁻¹⁷ .

Na ausência de qualquer perda de energia para a deformação e excitação do fragmento, como nos fenômenos de fissão a frio ou no decaimento alfa, a energia cinética total é igual ao valor Q e é dividida entre as partículas na proporção inversa de suas massas, conforme exigido por conservação do momento linear

{\ displaystyle E_ {k} = QA_ {d} / A}

onde A _d é o número de massa da filha, A _d = A - A _e .

O decaimento do cluster existe em uma posição intermediária entre o decaimento alfa (em que um núcleo expele um núcleo ⁴ He ) e a fissão espontânea , na qual um núcleo pesado se divide em dois (ou mais) fragmentos grandes e um número variado de nêutrons. A fissão espontânea termina com uma distribuição probabilística de produtos filhos, o que a diferencia da decadência do cluster. No decaimento de cluster para um determinado radioisótopo, a partícula emitida é um núcleo leve e o método de decaimento sempre emite essa mesma partícula. Para os aglomerados emitidos mais pesados, não há praticamente nenhuma diferença qualitativa entre a decadência do aglomerado e a fissão a frio espontânea.

História

As primeiras informações sobre o núcleo atômico foram obtidas no início do século 20 por meio do estudo da radioatividade. Por um longo período de tempo, apenas três tipos de modos de decaimento nuclear ( alfa , beta e gama ) eram conhecidos. Eles ilustram três das interações fundamentais na natureza: forte , fraca e eletromagnética . A fissão espontânea tornou-se mais bem estudada logo após sua descoberta em 1940 por Konstantin Petrzhak e Georgy Flyorov por causa das aplicações militares e pacíficas da fissão induzida. Isso foi descoberto por volta de 1939 por Otto Hahn , Lise Meitner e Fritz Strassmann .

Existem muitos outros tipos de radioatividade, por exemplo, decaimento de aglomerados, emissão de prótons , vários modos de decaimento beta-retardado (p, 2p, 3p, n, 2n, 3n, 4n, d, t, alfa, f), isômeros de fissão , partícula acompanhada fissão (ternária), etc. A altura da barreira de potencial, principalmente de natureza Coulomb, para emissão das partículas carregadas é muito maior do que a energia cinética observada das partículas emitidas. O decaimento espontâneo só pode ser explicado pelo tunelamento quântico de maneira semelhante à primeira aplicação da Mecânica Quântica a Núcleos dada por G. Gamow para decaimento alfa.

"Em 1980, A. Sandulescu, DN Poenaru e W. Greiner descreveram cálculos indicando a possibilidade de um novo tipo de decaimento de núcleos pesados intermediários entre o decaimento alfa e a fissão espontânea. A primeira observação de radioatividade de íons pesados foi de 30- MeV, emissão de carbono 14 do rádio-223 por HJ Rose e GA Jones em 1984 " .

Normalmente, a teoria explica um fenômeno já observado experimentalmente. A decomposição dos aglomerados é um dos raros exemplos de fenômenos previstos antes da descoberta experimental. As previsões teóricas foram feitas em 1980, quatro anos antes da descoberta experimental.

Quatro abordagens teóricas foram utilizadas: a teoria da fragmentação, resolvendo uma equação de Schrödinger com a assimetria de massa como variável para obter as distribuições de massa dos fragmentos; cálculos de penetrabilidade semelhantes aos usados na teoria tradicional de decaimento alfa e modelos de fissão superassimétricos, numéricos (NuSAF) e analíticos (ASAF). Os modelos de fissão superassimétricos são baseados na abordagem macroscópica-microscópica usando as energias de nível de modelo de casca de dois centros assimétricos como dados de entrada para as correções de casca e de emparelhamento. Tanto o modelo de gota de líquido quanto o modelo Yukawa-mais-exponencial estendido para diferentes razões de carga para massa foram usados para calcular a energia de deformação macroscópica.

A teoria da penetrabilidade previu oito modos de decaimento: ¹⁴ C, ²⁴ Ne, ²⁸ Mg, ^32,34 Si, ⁴⁶ Ar e ^48,50 Ca dos seguintes núcleos pais: ^222.224 Ra, ^230.232 Th, ^236.238 U, ^244.246 Pu, ^248.250 Cm, ^250.252 Cf, ^252.254 Fm e ^252.254 No.

O primeiro relatório experimental foi publicado em 1984, quando físicos da Universidade de Oxford descobriram que ²²³ Ra emite um núcleo de ¹⁴ C entre cada bilhão (10 ⁹ ) de decaimentos por emissão alfa.

Teoria

O tunelamento quântico pode ser calculado estendendo a teoria da fissão para uma assimetria de massa maior ou por partículas emitidas mais pesadas da teoria do decaimento alfa .

Ambas as abordagens do tipo fissão e do tipo alfa são capazes de expressar a constante de decaimento = ln 2 / T _c , como um produto de três quantidades dependentes do modelo ${\ displaystyle \ lambda}$

{\ displaystyle \ lambda = \ nu SP_ {s}}

onde é a frequência de assaltos à barreira por segundo, S é a probabilidade de pré-formação do aglomerado na superfície nuclear e P _s é a penetrabilidade da barreira externa. Em teorias do tipo alfa, S é uma integral de sobreposição da função de onda dos três parceiros (pai, filha e cluster emitido). Em uma teoria de fissão, a probabilidade de pré-formação é a penetrabilidade da parte interna da barreira do ponto de viragem inicial R _i ao ponto de contato R _t . Muito frequentemente, é calculado usando a aproximação de Wentzel-Kramers-Brillouin (WKB). ${\ displaystyle \ nu}$

Um número muito grande, da ordem de 10 ⁵ , de combinações de cluster emitidas pelos pais foi considerado em uma busca sistemática por novos modos de decaimento . A grande quantidade de cálculos pode ser realizada em um tempo razoável usando o modelo ASAF desenvolvido por Dorin N Poenaru , Walter Greiner , et al. O modelo foi o primeiro a ser usado para prever quantidades mensuráveis na degradação do cluster. Mais de 150 modos de decaimento do cluster foram previstos antes que qualquer outro tipo de cálculo de meia-vida fosse relatado. Tabelas abrangentes de meias-vidas , razões de ramificação e energias cinéticas foram publicadas, por exemplo. As formas de barreira potenciais semelhantes às consideradas no modelo ASAF foram calculadas usando o método macroscópico-microscópico.

Anteriormente, foi mostrado que mesmo a decadência alfa pode ser considerada um caso particular de fissão a frio . O modelo ASAF pode ser usado para descrever de uma maneira unificada o decaimento alfa frio, o decaimento do cluster e a fissão a frio (ver figura 6.7, p. 287 da Ref. [2]).

Pode-se obter com boa aproximação uma curva universal (UNIV) para qualquer tipo de modo de decaimento de cluster com um número de massa Ae, incluindo decaimento alfa

{\ displaystyle \ log T = - \ log P_ {s} -22,169 + 0,598 (A_ {e} -1)}

Em uma escala logarítmica, a equação log T = f (log P _s ) representa uma única linha reta que pode ser usada convenientemente para estimar a meia-vida. Uma única curva universal para o decaimento alfa e os modos de decaimento de agrupamento resulta pela expressão de log T + log S = f (log P _s ). Os dados experimentais sobre o decaimento do cluster em três grupos de núcleos parentais pares-pares, pares-ímpares e pares-ímpares são reproduzidos com precisão comparável por ambos os tipos de curvas universais, UNIV tipo fissão e UDL derivados usando matriz R tipo alfa teoria.

A fim de encontrar a energia liberada

{\ displaystyle Q = [M- (M_ {d} + M_ {e})] c ^ {2}}

pode-se usar a compilação das massas medidas M, M _d e M _e do pai, da filha e dos núcleos emitidos, c é a velocidade da luz. O excesso de massa é transformado em energia de acordo com a fórmula de Einstein E = mc ² .

Experimentos

A principal dificuldade experimental em observar a decadência do cluster vem da necessidade de identificar alguns eventos raros contra um fundo de partículas alfa. As quantidades determinadas experimentalmente são a meia-vida parcial, T _c , e a energia cinética do cluster emitido E _k . Também é necessário identificar a partícula emitida.

A detecção de radiações é baseada em suas interações com a matéria, levando principalmente a ionizações. Usando um telescópio semicondutor e componentes eletrônicos convencionais para identificar os íons ¹⁴ C, o experimento de Rose e Jones foi executado por cerca de seis meses para obter 11 eventos úteis.

Com modernos espectrômetros magnéticos (SOLENO e Enge-split pole), no Orsay and Argonne National Laboratory (ver cap. 7 na Ref. [2] pp. 188–204), uma fonte muito forte poderia ser usada, para que os resultados fossem obtidos em uma corrida de algumas horas.

Detectores de trilha nuclear de estado sólido (SSNTD) insensíveis a partículas alfa e espectrômetros magnéticos nos quais as partículas alfa são desviadas por um forte campo magnético têm sido usados para superar essa dificuldade. SSNTD são baratos e práticos, mas precisam de corrosão química e varredura microscópica.

Um papel fundamental em experimentos sobre modos de decaimento de cluster realizados em Berkeley, Orsay, Dubna e Milano foi desempenhado por P. Buford Price, Eid Hourany, Michel Hussonnois, Svetlana Tretyakova, AA Ogloblin, Roberto Bonetti e seus colegas.

A região principal de 20 emissores observados experimentalmente até 2010 está acima de Z = 86: ²²¹ Fr, ^221-224.226 Ra, ^223.225 Ac, ^228.230 Th, ²³¹ Pa, ^230.232-236 U, ^236.238 Pu e ²⁴² Cm. Apenas limites superiores puderam ser detectados nos seguintes casos: decaimento de ¹² C de ¹¹⁴ Ba, decaimento de ¹⁵ N de ²²³ Ac, decaimento de ¹⁸ O de ²²⁶ Th, ^24,26 decaimentos de Ne de ²³² Th e de ²³⁶ U, decaimentos de ²⁸ Mg de ^232.233.235 U, decaimento de ³⁰ Mg de ²³⁷ Np e decaimento de ³⁴ Si de ²⁴⁰ Pu e de ²⁴¹ Am.

Alguns dos emissores do cluster são membros das três famílias radioativas naturais. Outros devem ser produzidos por reações nucleares. Até agora, nenhum emissor estranho foi observado.

De muitos modos de decaimento com meias-vidas e razões de ramificação em relação ao decaimento alfa previsto com o modelo de fissão superassimétrica analítica (ASAF), os 11 seguintes foram experimentalmente confirmados: ¹⁴ C, ²⁰ O, ²³ F, ^22,24-26 Ne, ^28,30 Mg e ^32,34 Si. Os dados experimentais estão de acordo com os valores previstos. Um forte efeito de casca pode ser visto: via de regra, o menor valor da meia-vida é obtido quando o núcleo filho tem um número mágico de nêutrons (N _d = 126) e / ou prótons (Z _d = 82).

As emissões de cluster conhecidas a partir de 2010 são as seguintes:

Isótopo	Partícula emitida	Razão de ramificação	log T (s)	Q (MeV)
¹¹⁴ Ba	¹² C	< 3,4 × 10 ⁻⁵	> 4,10	18,985
²²¹ Fr	¹⁴ C	8,14 × 10 ⁻¹³	14,52	31,290
²²¹ Ra	¹⁴ C	1,15 × 10 ⁻¹²	13,39	32.394
²²² Ra	¹⁴ C	3,7 × 10 ⁻¹⁰	11,01	33.049
²²³ Ra	¹⁴ C	8,9 × 10 ⁻¹⁰	15.04	31.829
²²⁴ Ra	¹⁴ C	4,3 × 10 ⁻¹¹	15,86	30.535
²²³ Ac	¹⁴ C	3,2 × 10 ⁻¹¹	12,96	33.064
²²⁵ Ac	¹⁴ C	4,5 × 10 ⁻¹²	17,28	30.476
²²⁶ Ra	¹⁴ C	3,2 × 10 ⁻¹¹	21,19	28,196
²²⁸ th	²⁰ O	1,13 × 10 ⁻¹³	20,72	44,723
²³⁰ th	²⁴ Ne	5,6 × 10 ⁻¹³	24,61	57.758
²³¹ Pa	²³ F	9,97 × 10 ⁻¹⁵	26,02	51.844
	²⁴ Ne	1,34 × 10 ⁻¹¹	22,88	60,408
²³² U	²⁴ Ne	9,16 × 10 ⁻¹²	20,40	62,309
	²⁸ mg	< 1,18 × 10 ⁻¹³	> 22,26	74,318
²³³ U	²⁴ Ne	7,2 × 10 ⁻¹³	24,84	60,484
	²⁵ Ne			60,776
	²⁸ mg	<1,3 × 10 ⁻¹⁵	> 27,59	74,224
²³⁴ U	²⁸ mg	1,38 × 10 ⁻¹³	25,14	74,108
	²⁴ Ne	9,9 × 10 ⁻¹⁴	25,88	58,825
	²⁶ Ne			59.465
²³⁵ U	²⁴ Ne	8,06 × 10 ⁻¹²	27,42	57.361
	²⁵ Ne			57,756
	²⁸ mg	< 1,8 × 10 ⁻¹²	> 28,09	72,162
	²⁹ mg			72.535
²³⁶ U	²⁴ Ne	< 9,2 × 10 ⁻¹²	> 25,90	55.944
	²⁶ Ne			56,753
	²⁸ mg	2 × 10 ⁻¹³	27,58	70.560
	³⁰ mg			72,299
²³⁶ Pu	²⁸ mg	2,7 × 10 ⁻¹⁴	21,52	79,668
²³⁷ Np	³⁰ mg	< 1,8 × 10 ⁻¹⁴	> 27,57	74.814
²³⁸ Pu	³² Si	1,38 × 10 ⁻¹⁶	25,27	91,188
	²⁸ mg	5,62 × 10 ⁻¹⁷	25,70	75.910
	³⁰ mg			76.822
²⁴⁰ Pu	³⁴ Si	< 6 × 10 ⁻¹⁵	> 25,52	91.026
²⁴¹ am	³⁴ Si	< 7,4 × 10 ⁻¹⁶	> 25,26	93.923
²⁴² cm	³⁴ Si	1 × 10 ⁻¹⁶	23,15	96,508

Boa estrutura

A estrutura fina na radioatividade ¹⁴ C de ²²³ Ra foi discutida pela primeira vez por M. Greiner e W. Scheid em 1986. O espectrômetro supercondutor SOLENO de IPN Orsay tem sido usado desde 1984 para identificar aglomerados de ¹⁴ C emitidos de ^222-224,226 Ra núcleos. Além disso, foi usado para descobrir a estrutura fina observando as transições para os estados excitados da filha. Uma transição com um estado excitado de ¹⁴ C previsto na Ref. ainda não foi observada.

Surpreendentemente, os experimentalistas viram uma transição para o primeiro estado de excitação da filha mais forte do que para o estado fundamental. A transição é favorecida se o núcleo desacoplado for deixado no mesmo estado nos núcleos pai e filho. Caso contrário, a diferença na estrutura nuclear leva a um grande obstáculo.

A interpretação foi confirmada: o principal componente esférico da função de onda pai deformada tem um caráter i _11/2 , ou seja, o componente principal é esférico.

Referências

links externos

Centro Nacional de Dados Nucleares

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